DE102013208768A1

DE102013208768A1 - Elektromagnetischer Aktuator, aktuatorisch bewegbares System enthaltend mehrere solcher Aktuatoren sowie aktuatorisches Bewegungsverfahren

Info

Publication number: DE102013208768A1
Application number: DE102013208768.3A
Authority: DE
Inventors: Simon Kimme; Thilo Sandner; Alexander Graf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2014-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromagnetischer Aktuator mit einer mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Antriebsspule, einem beabstandet von der Antriebsspule beweglich gelagerten Permanentmagneten und einer von der Antriebsspule zum Permanentmagneten hinführend ausgebildeten und angeordneten Leitstruktur.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Aktuator und auf ein aktuatorisch bewegbares System, das mindestens einen solchen Aktuator aufweist, insbesondere auf einen oder mehrere elektromagnetische(n) Aktuator(en) zur Auslenkung von mikromechanisch gefertigten Scannerspiegeln. Die Erfindung bezieht sich zudem auf ein entsprechendes, auf solchen Aktuatoren basierendes Bewegungsverfahren, insbesondere zum Auslenken mikromechanisch gefertigter Scannerspiegel.
Zumeist resonant betriebene mikromechanische Spiegel kommen in einer Vielzahl von Anwendungen wie beispielsweise der räumlichen Entfernungsmesstechnik, der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie oder auch der Bildprojektion (also in Projektoren) zum Einsatz. Dabei ist eine gezielte Strahlpositionierung hilfreich bzw. notwendig.
Aus dem Stand der Technik sind neben die Lorentz-Kraft nutzenden elektrodynamischen Wandlern auch verschiedene Reluktanzwandler mit Permanentmagnet bekannt (vergleiche z.B. Klaus Janschek „Systementwurf mechatronischer Systeme / Methoden-Modelle-Konzepte", Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 2010), die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als elektromagnetische Aktuatoren bezeichnet werden. Siehe hier beispielsweise A.D. Yalcinkaya et al. „NiFe plated biaxial MEMS Scanner for 2D Imaging", Photonics Technology Letters, IEEE 19.5, March 2007, p. 330–332, oder auch T. Mitsui et al. " A 2-axis optical Scanner driven non-resonantly by electromagnetic force for OCT imaging", Journal of Micromechanics and Micro-Engineering, 16.11 (2006), p. 2482.
Problematisch ist bezüglich der aus dem Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Aktuatoren jedoch, dass, beispielsweise bei Anwendungen in der Messtechnik oder auch in Verbindung mit hochenergetischen Strahlen, große Spiegeldurchmesser benötigt werden, um ein hohes Auflösungsvermögen zu realisieren. Gleichzeitig wird aber auch ein ausreichend kleines Bauvolumen für die Erschließung neuer Anwendungsgebiete gefordert. Zudem ist die geringe Dämpfung, die aus den geforderten kleinen Abmessungen resultiert, ein Problem, so dass hohe Anforderungen an die Positionssteuerung oder Regelung der Microscannerspiegel zu stellen sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen zum Stand der Technik alternativen Aufbau eines elektromagnetischen Aktuators (und somit auch eines aktuatorisch bewegbaren Systems) vorzuschlagen, der möglichst viele der nachfolgenden Merkmale aufweist: Einfachheit, Kompaktheit und dennoch Einsatz vergleichsweise großer zu bewegender (mikromechanischer) Strukturen (insbesondere: vergleichsweise großer Spiegel mit z.B. Durchmessern bis zu 10 mm), verbesserte, also erhöhte Dämpfung des Systems (trotz kleiner geometrischer Abmessungen), geringe Positionierzeiten und geringe Positionierunsicherheiten hinsichtlich der vermittels des Permanentmagneten bewegten (mikromechanischen) Struktur und (sofern die zu bewegende Struktur ein Spiegel ist) große Stellwinkel, die schnell und präzise eingestellt werden können.
Diese Aufgabe(n) wird/werden durch einen elektromagnetischen Aktuator gemäß Anspruch 1 sowie durch ein aktuatorisch bewegbares System gemäß Anspruch 11 und ein Bewegungsverfahren gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. vorteilhafterweise zu realisierende Merkmale lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Die im Rahmen der Ausführungsbeispiele in Kombination miteinander realisierten einzelnen Merkmale, Bauelemente und Bauformen können dabei im Rahmen der Erfindung auch auf andere Art und Weise realisiert werden. Insbesondere können einzelne der gezeigten Merkmale oder Bauelemente mit anderen der gezeigten Merkmale oder Bauelemente auch im Rahmen abweichender Bauformen miteinander kombiniert werden oder einzelne der gezeigten Merkmale oder Bauelemente auch weggelassen werden. Bereits einzelne der gezeigten Merkmale oder Bauelemente können für sich (also unabhängig von anderen gezeigten Merkmalen oder Bauelementen) eine Bereicherung des Standes der Technik darstellen.
Die vorliegende Erfindung geht von der Grundidee aus, dass elektromagnetische Aktuatoren (nachfolgend abgekürzt einfach auch als Aktuatoren bezeichnet) mit einer flachen Spule unter einem Permanentmagneten den Vorteil aufweisen, dass sie (da beabstandet vom Permanentmagnet) mit sehr kleinen Innenradien (also Innenradien, die kleiner als der Durchmesser des Permanentmagneten sind) verwirklicht werden können, so dass sich große Feldstärken der verwendeten Spulen (nachfolgend auch als Antriebsspulen bezeichnet) ergeben. Solche Anordnungen können bei kleinen Stellwegen sowie geringen Abständen zwischen Antriebsspule und Permanentmagnet sinnvoll sein. Andererseits ergibt sich ein vorteilhafter Kraftverlauf, wenn die Spule (als Zylinderspule) so ausgebildet ist, dass sie einen größeren Innendurchmesser aufweist als der Außendurchmesser des Permanentmagneten, so dass ein Eintauchen des Permanentmagneten in den von der Spule umschlossenen Bereich ermöglicht ist. Durch dieses Eintauchen ergibt sich ein Kraftverlauf, bei dem der Permanentmagnet genau im Bereich des stärksten Feldgradienten positioniert werden kann. Natürlich ist bei dieser Variante die maximal erreichbare Feldstärke in der Spule durch den benötigten Mindestinnendurchmesser begrenzt (der naturgemäß größer ausfällt als bei Verwendung einer beabstandet von dem Permanentmagneten angeordneten Flachspule).
Die vorliegende Erfindung kombiniert nun die Vorteile der beiden beschriebenen Varianten dadurch, dass in Verbindung mit der verwendeten Antriebsspule und dem verwendeten, beweglich gelagerten Permanentmagneten eine von der Spule zum Magneten hinführend ausgeformte und angeordnete Leitstruktur eingesetzt wird. Insbesondere die geometrische Ausformung dieser Leitstruktur realisiert erfindungsgemäß die Vorteile der beiden beschriebenen Varianten. Vermittels einer solchen Leitstruktur (Flussleitstruktur) ist es erfindungsgemäß insbesondere möglich, bei nahezu beliebig kleinen Spuleninnendurchmessern den Permanentmagneten deutlich weiter (als aus dem Stand der Technik bekannt) entfernt von der Anregungsspule zu positionieren, wobei sich durch ein durch die Flussleitungsstruktur bewirktes Leiten des magnetischen Flusses der (stromdurchflossenen) Anregungsspule in Richtung zum Permanentmagneten hin letzterer am Übergang von maximaler zu minimaler Feldstärke und somit optimal positionieren lässt, um eine maximale Kraftwirkung zu erzielen. Die Leitstruktur muss jedoch nicht unbedingt eine zur Flussführung des magnetischen Flusses der Spule hin zum Permanentmagneten ausgebildete geometrische Struktur sein. Grundsätzlich sind auch lediglich elektrisch leitende, nicht-ferromagnetische Materialien wie beispielsweise Aluminium zur Ausformung der Leitstruktur geeignet: Die Leitstruktur ist in diesem Fall so ausgeformt und positioniert, dass sie von der Antriebsspule zum Permanentmagneten hinführt (also zumindest ein Abschnitt der Struktur vom Permanentmagnet bis hin zur Antriebsspule reicht).
Demgemäß ist ein erfindungsgemäßer (elektromagnetischer) Aktuator im Anspruch 1 beschrieben.
Der Begriff der „Leitung“ in der Leitstruktur bedeutet dabei bevorzugt, dass diese Leitstruktur sowohl als Flussleitstruktur den magnetischen Fluss der Spule leitet (vorteilhafterweise realisierte Merkmale des Anspruchs 2), als auch elektrisch leitfähig ist (vorteilhafterweise realisierte Merkmale gemäß Anspruch 3). Wie vorstehend bereits beschrieben, reicht aber grundsätzlich auch die Realisierung lediglich des Merkmals der elektrischen Leitfähigkeit aus. Ob die Leitstruktur lediglich eines der beiden vorbeschriebenen Leitprinzipien (und wenn ja, auch welches) oder beide Leitprinzipien realisiert, bestimmt sich nach dem für die Leitstruktur verwendeten Material. Unter Hinführen der Leitstruktur von der Spule zum Permanentmagnet wird dabei eine Geometrie verstanden, bei der zumindest Teilabschnitte oder Wandabschnitte der Leitstruktur von der Antriebsspule zum Permanentmagneten führen. Dabei ist keine gerade Verbindung zum Permanentmagneten nötig. Auch ist es nicht notwendig, dass die gesamte Leitstruktur zwischen der Antriebsspule und dem Permanentmagneten angeordnet sein muss, sondern es ist ausreichend, dass ein Leitstrukturabschnitt beispielsweise vom Außenrand der Spule gebogen oder über Eck hin zu einem Oberflächenbereich des Permanentmagneten führt und/oder zwischen besagtem Außenrand und besagtem Oberflächenbereich liegend ausgeformt ist.
Bei den vorteilhafterweise realisierten Merkmalen gemäß Anspruch 2 sind die Spule, der Permanentmagnet und die Flussleitstruktur vorzugsweise so ausgebildet und positioniert, dass das Magnetfeld der stromdurchflossenen Spule eine Kraftwirkung auf den Permanentmagneten ausübt, die durch Position, Material und Geometrie der Flussleitstruktur (im Vergleich zum Fehlen der Flussleitstruktur) verstärkt wird. Insbesondere geschieht dies durch ein Erhöhen der magnetischen Flussdichte, also der magnetischen Feldliniendichte unmittelbar am Permanentmagneten bzw. an einem Oberflächenbereich desselben (somit also zwischen dem Permanentmagneten und einem dem Permanentmagneten zugewandten Ende der Flussleitstruktur). Das Beeinflussen der magnetischen Flussdichte erfolgt dabei vorzugsweise so, dass die Stellkraft des Aktuators (an der Verbindungsstelle bzw. Wechselwirkungsstelle zu einer durch den Aktuator zu bewegenden, mit dem Permanentmagneten verbundenen Struktur) erhöht wird.
Der Permanentmagnet ist bevorzugt so gelagert, dass er bei Stromdurchfluss in der Spule aus einer gegebenen Gleichgewichtslage heraus ausgelenkt wird, also (je nach Richtung des Stromflusses in der Spule) sein Abstand zur Antriebsspule verringert oder erhöht wird. Je nach flussleitender Geometrie der Flussleitstruktur können dabei (vergleiche auch die Ausführungsbeispiele) auch mehrere Gleichgewichtspositionen für den Permanentmagneten relativ zur Spule realisiert werden. Die flussleitende Geometrie kann so ausgelegt sein, dass sich z.B. drei Gleichgewichtspositionen für den Permanentmagneten ergeben.
Der Abstand zwischen dem Permanentmagneten und der Spule (bzw. der der Spule zugewandten Oberfläche des Permanentmagneten und der dem Permanentmagneten zugewandten Oberfläche der Spule – dieser Abstand wird nachfolgend auch mit x bezeichnet) beträgt bevorzugt zwischen 50 µm und 100 µm, besonders bevorzugt zwischen 100 und 300 µm (in einer gegebenen Gleichgewichtslage).
Weitere vorteilhafterweise realisierbare Merkmale sind in Anspruch 3 beschrieben. Dabei können (dies gilt auch für sämtliche nachfolgend noch beschriebenen abhängigen Ansprüche) diese Merkmale als zusätzliche Merkmale (zum Anspruch 2) oder auch als alternative Merkmale (ohne die des Anspruchs 2) realisiert werden.
Die Leitstruktur kann somit auch aus einem zwar elektrisch leitfähigen, aber den magnetischen Fluss nicht oder nur geringfügig beeinflussenden (also nicht-ferromagnetischen Material bzw. Festkörper) ausgebildet werden. Beispielsweise aus Aluminium. Vorzugsweise wird die Leitstruktur jedoch als Flussleitstruktur aus einem ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Eisen ausgebildet. Die flussleitende Geometrie muss somit keine ferromagnetischen Eigenschaften aufweisen, sondern kann alleine elektrisch leitfähig sein und somit nur zur Dämpfung der Magnetbewegung und Erhöhung der Systemdämpfung genutzt werden. Eine solche Dämpfung wird dabei durch die im Material der Leitstruktur infolge einer Relativbewegung zwischen Permanentmagnet und Leitstruktur hervorgerufenen Wirbelströme realisiert. Bei einem ferromagnetischen, elektrisch leitfähigen Festkörper als Leitstruktur tritt zu dieser Wirkung die bereits beschriebene flussführende Wirkung hinzu.
Zusätzlich zu der ferromagnetischen Flussleitstruktur oder der (lediglich zum Erhöhen der Systemdämpfung angebrachten) lediglich elektrisch leitfähigen Leitstruktur können konzentrisch zum bewegten Permanentmagneten weitere elektrische Spulen (neben der Antriebsspule) vorhanden sein. Diese zusätzlichen Spulen können insbesondere konzentrisch zum bewegten Permanentmagneten angeordnet werden und vorzugsweise als Flachspulen ausgeführt sein. Diese zusätzlichen Spulen wirken dann bei geschlossenem Stromkreis in der Antriebsspule als zusätzliche Wirbelstrombremsen, die die resultierende Systemdämpfung zusätzlich erhöhen.
Weitere vorteilhafterweise realisierbare Merkmale zeigt Anspruch 4.
Der Begriff des „Umfassens“ ist dabei im Sinne von Umgreifen, Umschließen, Umgeben und/oder Umhüllen zu verstehen. Die Geometrie der Flussleitstruktur ist bevorzugt so ausgebildet, dass das Spulenumfeld überwiegend (bevorzugt: vollständig) vom Magnetfeld der Spule abgeschirmt wird und der Feldgradient des Magnetfelds der Spule von der Flussleitstruktur zum Permanentmagneten bzw. zum Zentrum des Permanentmagnets hin konzentriert wird.
Weitere vorteilhafterweise realisierbare Merkmale beschreibt Anspruch 5. Diese Merkmale haben den Vorteil, dass die Dämpfung des Aktuators (bzw. des Permanentmagneten samt daran gekoppelter, zu bewegender Struktur, vgl. Anspruch 9) erhöht wird.
Bevorzugt kann dabei Transformatorenöl als Flüssigkeit eingesetzt werden. Um ein Übertreten der Flüssigkeit vom von der Leitstruktur umfassten, die Spule beherbergenden Raum über den Spalt (vergleiche nachfolgender Anspruch 7) nach außen zu verhindern, also zum Abdichten des Spaltes, kann eine Dichtung (beispielsweise eine O-Ring-Dichtung) vorgesehen sein. Es ist jedoch bei dünnen Spalten (z.B. Spaltausdehnung 100 µm) ggf. auch möglich, auf eine solche Dichtung zu verzichten, wenn bereits Kapillarkräfte verhindern, dass die eingesetzte Flüssigkeit durch den Spalt nach außen kriecht.
Weitere vorteilhafterweise realisierbare Merkmale beschreibt Anspruch 6.
Vorzugsweise ist damit das Leiten des magnetischen Flusses der Spule durch die als Flussleitstruktur ausgebildete Leitstruktur zum Permanentmagneten hin durch Kombination der beiden folgenden Merkmale realisiert: Die Flussleitstruktur umgibt einerseits die Spule (so dass die Spule im Innenraum dieser Flussleitstruktur positioniert ist), andererseits erfolgt die bewegliche Lagerung des Permanentmagneten in einer Ausnehmung, die in einer solchen Flussleitstruktur in einen der im Innenraum der Flussleitstruktur positionierten Spule gegenüberliegenden Wandabschnitt eingebracht ist. Dabei kann die den magnetischen Fluss leitende Geometrie (Flussleitstruktur) aus einem ferromagnetischen Material (z.B. Blech) bestehen, welches parallel zur zu bewegenden (mikromechanischen) Struktur angeordnet ist und zu dem zu bewegenden Permanentmagneten eine zentrierte Öffnung aufweist. Im eingetauchten Zustand des Permanentmagneten in der Flussleitstruktur kann zwischen Flussleitstruktur und Permanentmagnet ein Luftspalt vorhanden sein.
Vorzugsweise sind die Spule, der Permanentmagnet und die Leitstruktur so ausgerichtet und positioniert, dass ihre Vorzugsachsen zusammenfallen. Sind die genannten Bauelemente Spule, Magnet und Leitstruktur rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch ausgebildet, so fallen in diesem Fall die Zylindersymmetrieachsen der drei Bauelemente zusammen (die Leitstruktur ist dabei zum Umgreifen bzw. Umschließen der Spule als Hohlzylinder ausgebildet). Grundsätzlich können die Vorzugsachsen jedoch auch beabstandet voneinander und/oder gekippt zueinander ausgerichtet werden (vorzugsweise sind die Achsen jedoch zumindest parallel).
Durch eine solche Geometrie lässt sich eine translatorische Bewegung (in Vorzugsachsrichtung) des Permanentmagneten relativ zur Leitstruktur (und damit zur relativ zur Leitstruktur ortsfest angeordneten Antriebsspule) realisieren: Bewegen des Permanentmagneten zur Spule hin und wieder von der Spule weg (je nach Stromrichtung und Stromstärke). Grundsätzlich sind erfindungsgemäß jedoch auch rotatorische Aufbauten denkbar.
Weitere vorteilhafterweise realisierbare Merkmale beschreibt Anspruch 7.
Auch hier ist der Begriff des Umfassens im Sinne von Umgreifen, Umschließen und/oder Umringen zu verstehen. Die Ausdehnungswerte verstehen sich inklusive der genannten Grenzen. Im Spalt ergibt sich (bei der Flussleitstruktur) somit eine erhöhte magnetische Feldliniendichte durch Ausrichten bzw. Leiten des magnetischen Flusses zum Permanentmagneten hin. Hierdurch wird die auf den Permanentmagneten wirkende Kraft erhöht. Der Permanentmagnet ist (bei Stromfluss in der Spule) relativ zur Spule gesehen bewegbar, insbesondere abstoßend oder anziehend translatorisch bewegbar.
Weitere vorteilhafterweise realisierbare Merkmale lassen sich den Ansprüchen 8 und 9 entnehmen. Die Ausdehnung gemäß Anspruch 9 (nachfolgend auch als Höhe des Permanentmagneten bezeichnet) wird somit in Vorzugsachsrichtung (also in Richtung der Rotationsymmetrieachse(n) bei zylindersymmetrischer Ausbildung der Bauelemente) bestimmt. Die genannten Werte verstehen sich inklusive der angegebenen Grenzwerte.
Weitere vorteilhafterweise realisierbare Merkmale lassen sich Anspruch 10 entnehmen.
Dabei ist über die Verbindung zum Permanentmagneten auch eine bewegliche Lagerung der zu bewegenden Struktur erreicht. Diese Verbindung kann eine nahezu beliebig ausgeführte Kopplung zwischen der zu bewegenden Struktur einerseits und dem (bzw. den, vergleiche Anspruch 11) Permanentmagneten andererseits sein. Insbesondere kann/können der/die Permanentmagnet(e) unmittelbar oder auch mittelbar, zum Beispiel über eine Zwischenschicht (beispielsweise: Klebeschicht oder dergleichen), an der zu bewegenden Struktur fixiert sein. Je nach Ausformung der beteiligten Bauelemente des Aktuators ist eine translatorische und/oder eine rotatorische bewegliche Lagerung der zu bewegenden Struktur möglich.
Erfindungsgemäße aktuatorisch bewegbare Systeme lassen sich den Ansprüchen 11 und 12 entnehmen, ein erfindungsgemäßes Bewegungsverfahren lässt sich Anspruch 13 entnehmen.
Die nachfolgend beschriebenen Merkmale lassen sich in Verbindung mit sämtlichen der vorbeschriebenen Merkmale der abhängigen Ansprüche realisieren:
Die mikromechanische Struktur kann eine Positionssensorik (ausgeführt beispielsweise als resistiver, piezoresistiver oder kapazitiver Sensor) integrieren. Erfasste Sensormesswerte können an eine Steuereinheit des Aktuators (bzw. des Systems) weitergeleitet werden, wodurch eine rückgekoppelte Steuerung der Bewegung bzw. der Auslenkung ermöglicht ist.
Auch können auf der zu bewegenden Struktur zusätzliche Versteifungselemente zum Erhöhen der Steifigkeit dieser Struktur (beispielsweise einer mikromechanischen optischen Spiegelplatte) angeordnet werden. Durch solche Versteifungselemente kann auch die Planarität bzw. die Formhaltigkeit der dynamisch zu bewegenden (mikromechanischen Struktur) erhöht werden.
Die den magnetischen Fluss leitende Geometrie (Flussleitstruktur) kann die Resonanzfrequenz des erfindungsgemäßen Aktuators gezielt beeinflussen: Eine aufgrund der Flussleitstruktur bzw. der aus dieser resultierenden Kraftwirkung bewirkte magnetische Steifigkeit wirkt der mechanischen Steifigkeit des Aktuators entgegen, so dass sich bei vorhandener Leitstruktur insgesamt eine niedrigere Steifigkeit und somit eine niedrigere Resonanzfrequenz des Systems ergibt, als ohne die Leitstruktur.
Insbesondere ist es hierdurch möglich, die Resonanzfrequenz des Aktuators über die Geometrie der Flussleitstruktur auf einen Wert unterhalb der Eigenfrequenz der zu bewegenden Struktur mit daran gekoppeltem Permanentmagneten zu reduzieren, so dass sich eine erhöhte mechanische Zuverlässigkeit für niedrige Resonanzfrequenzen ergibt.
Die vorliegende Erfindung beschreibt somit einen elektromagnetischen Aktuator, bei dem durch das räumlich veränderliche Magnetfeld der Antriebsspule eine Kraftwirkung auf einen Permanentmagneten erzielt wird. Diese kann durch eine den magnetischen Fluss leitende Geometrie (die Flussleitstruktur) gezielt beeinflusst werden, um die Stellkraft an der Wechselwirkungsstelle zur zu bewegenden (mikromechanischen) Struktur zu erhöhen. Der Permanentmagnet kann somit an eine beweglich gelagerte mikromechanische Struktur gekoppelt sein, die translatorisch oder auch rotatorisch beweglich gelagert sein kann. Bei der mikromechanischen Struktur kann es sich insbesondere um einen Mikroscannerspiegel handeln. Insbesondere kann durch die Breite eines Luftspaltes zwischen dem Permanentmagneten und der Flussleitstruktur und/oder durch die Dicke der Flussleitstruktur (in einem zum Permanentmagneten benachbarten Bereich) Einfluss auf die Kraftwirkung genommen werden.
Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Aktuatoren hat die vorliegende Erfindung insbesondere die folgenden Vorteile:

• Bei gleicher Feldstärke des Permanentmagneten und bei gleicher Stromdichte in der Antriebsspule ist eine größere Antriebskraft generierbar, die, bei gleicher Systemsteifigkeit, größere Stellwinkel und/oder Auslenkungen der zu bewegenden (mikromechanischen) Struktur ermöglicht.
• Bei gleichen Stellwinkeln und/oder Auslenkungen sind somit eine größere Systemsteifigkeit und damit eine verbesserte Regelbarkeit der Bewegung für die, kürzere Positionierzeiten der und eine verbesserte Positionierdynamik der zu bewegende(n) Struktur ermöglicht.
• Somit sind mit der Erfindung höhere Kraftdichten möglich.
• Auch durch die Wirbelstromeffekte in der Leitstruktur ist eine erhöhte Systemdämpfung gegeben, was wiederum für eine verbesserte Regelbarkeit der Bewegung für die, kürzere Positionierzeiten der und eine verbesserte Positionierdynamik der zu bewegende(n) Struktur ermöglicht.
• Das Entgegenwirken der magnetischen Steifigkeit zur mechanischen Steifigkeit (das zu einer niedrigeren Eigenfrequenz führt) erhöht die mechanische Zuverlässigkeit des Systems: Der Aktuator wird schockresistenter und mechanisch robuster.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Detail dargestellt.
Dabei zeigen:
1 das Prinzip eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators mit Flussleitstruktur.
2 Stellkräfte F bei verschiedenen Spulenstromdichten bei unterschiedlichen Flussleitstrukturkonfigurationen.
3 ein erfindungsgemäßes, aktuatorisch bewegbares System mit zu bewegendem mikromechanischen Spiegel sowie an diesen gekoppelten Permanentmagneten.
4 einen Schnitt auf Höhe eines Permanentmagneten durch die in 3 gezeigte Systemstruktur.
5 einen Vergleich von Auslenkungskennlinien mit und ohne Flussleitstruktur.
1 zeigt einen Schnitt in einer die Vorzugsachse (Rotationssymmetrieachse 14) enthaltenden Ebene durch einen erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuator (die zu bewegende Struktur ist hier aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen). Der Aktuator weist eine zylinderförmige Antriebsspule 1 (deren einzelne Wicklungen mit 1a bezeichnet sind) auf. Diese ist formschlüssig innerhalb einer hohlzylinderförmigen Leitstruktur 3, die hier als Flussleitstruktur 3' ausgebildet ist, eingepasst. Die Ausdehnung (Höhe) des Innenraums bzw. inneren Hohlraums 4 der Flussleitstruktur 3 in Achsrichtung 14 beträgt etwa das 1.3-fache der Höhe l_c der Antriebsspule 1. Die Spule 1 grenzt mit ihrer Unterseite (bis auf die die Spule umgebende dünne elektrische Isolationsschicht) unmittelbar an die untere Zylinderdeckelfläche 3u der (bis auf die Ausnehmung 5, siehe nachfolgend) die Antriebsspule 1 vollständig umschließenden Flussleitstruktur 3'. Entsprechend grenzt die Zylindermantelfläche der Spule 1 bis auf die dünne elektrische Isolationsschicht der Spule 1 unmittelbar an die innere Zylindermantelfläche der Flussleitstruktur 3'. Oberhalb der oberen Zylinderdeckelfläche (Oberseite 1o) der Spule 1 verbleibt somit im Innenraum 4 ein innerer Hohlabschnitt innerhalb der Flussleitstruktur 3', innerhalb dessen eine auslenkende Beweglichkeit des Permanentmagneten 2 (siehe nachfolgend) entlang der Symmetrieachse 14 der Spule 1 bzw. der gesamten Anordnung ermöglicht ist (die Auslenkung des Permanentmagneten 2 ist hier durch die Pfeile P gekennzeichnet).
In die der unteren Zylinderdeckelfläche 3u der Leitstruktur 3 gegenüberliegende obere Zylinderdeckelfläche 3a (deren Wandung hier mit dem Bezugszeichen 6 versehen ist) der Leitstruktur 3 ist eine den Permanentmagneten 2 aufnehmende Ausnehmung 5 eingebracht. Die Ausnehmung 5 ist dabei um die Zylindersymmetrieachse 14 der Anordnung zentriert und weist (in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 14 gesehen) einen geringfügig größeren Durchmesser auf als der Permanentmagnetdurchmesser 2·r_m, so dass zwischen dem dem Permanentmagneten 2 gegenüberliegenden Ende bzw. Randabschnitt 7 der Wandung 6 der oberen Zylinderdeckelfläche 3a einerseits und dem diesem Ende 7 gegenüberliegenden Oberflächenbereich 8 des Permanentmagneten 2 andererseits ein luftgefüllter Spalt 9 der Ausdehnung a (in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 14 gesehen) verbleibt.
Die gesamte Flussleitstruktur 3' ist hier aus einem ferromagnetischen dünnen Eisenblech ausgebildet. Grundsätzlich würde es jedoch ausreichen, in der gezeigten Konfiguration lediglich denjenigen Flussleitstrukturabschnitt 10 der Struktur 3, der sich von der oben liegenden Spulenoberfläche 1o bis hin zu dem dem Permanentmagneten im Oberflächenbereich 8 gegenüberliegenden Ende 7 erstreckt (und der somit den oberen Abschnitt der Zylindermantelfläche sowie die mit der Ausnahme 5 versehene Zylinderdeckelfläche 3a des Flussleitstrukturgehäuses 3' umfasst), aus einem solchen ferromagnetischen Material auszubilden.
Wie 1 zeigt, ist die gesamte Anordnung aus Spule 1, Permanentmagnet 2 und Flussleitstruktur 3 rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 14 (in der hier die Zylindersymmetrieachsen der Bauelemente 1 bis 3 zusammenfallen) ausgebildet. In der gezeigten, stabilen Gleichgewichtslage des Permanentmagneten 2 bei ausgeschaltetem Spulenstrom befindet sich die der oberen Spulenseite 1o zugewandte Unterseite 2u des Permanentmagneten im Abstand x (entlang der Achse 14 gesehen) von 200 µm. Durch Einschalten des Spulenstromes kann, je nach Stromrichtung, der Permanentmagnet 2 zur Spule 1 hin oder von der Spule 1 weg entlang der Symmetrieachse 14 ausgelenkt werden. Die Höhe der Spule l_c beträgt hier 5 mm, ihr Innenradius r_ci 0,5 mm und ihr Außenradius r_ca 2.25 mm (bei einem Drahtdurchmesser von 80 µm der Windungen 1a und einem Spulenwiderstand von 27 Ω ergeben sich etwa 850 Spulenwindungen). Die Höhe des Permanentmagneten h_m beträgt hier 1 mm. Der Durchmesser des Permanentmagneten 2 beträgt hier 2·r_m = 2 mm. Die Spaltausdehnung bzw. Spaltdicke a beträgt hier 300 µm. Die Dicke des ferromagnetischen Eisenbleches der Flussleitstruktur 3' beträgt hier konstant (und somit insbesondere im von der Spulenoberkante 1o im 90°-Winkel umknickend hin zum Permanentmagneten 2 führenden Flussleitstrukturabschnitt 10) d = 0.5 mm. Als Permanentmagnetmaterialien kommen beispielsweise SmCo oder NdFeB infrage.
Der magnetische Fluss der Antriebsspule 1 wird somit über das ferromagnetische (hier: weichmagnetische) Material der Flussleitstruktur 3', insbesondere des Abschnittes 10 derselben, von der Spule zum Permanentmagneten 2 hin gelenkt bzw. verdichtet. Durch die vorbeschriebene Konfiguration ist das Umfeld der Spule 1 weitestgehend vom Magnetfeld abgeschirmt und der Feldgradient kann entlang der x-Richtung bzw. der Symmetrieachse 14 zur Permanentmagnetmitte hin konzentriert werden.
Verursacht durch das ferromagnetische Material der Struktur 3 besteht bereits unabhängig von einem Strom in der Spule 1 eine Kraftwirkung zwischen Magnet 2 und Flussleitblech 3. Diese Kraftwirkung ist von verschiedenen Faktoren abhängig, so von der x-Position des Magneten 2, der Ausdehnung a des Luftspalts 9 und der Dicke d des Flussleitbleches. Das Verhältnis d/h_m entscheidet über die Richtung der Kraftwirkung, wenn sich der Magnet 2 (in x-Richtung bzw. entlang der Achse 14 gesehen) mittig in seiner Ausnehmung im Flussleitblech 3 befindet. Für große Entfernung des Magneten 2 vom Blech 3 ergibt sich für alle Blechdicken d eine Anziehung des Magneten 2 zum Blech 3 hin. Für relativ zur Magnethöhe h_m hinreichend große Blechdicken existiert ein (stabiler) Gleichgewichtspunkt, während sich für dünnere Blechdicken drei Gleichgewichtslagen ergeben können. Dies ergibt sich durch die Wechselwirkung des Magnetfeldes mit dem ferromagnetischen Material und führt dazu, dass sich mit einem Flussleitblech 3 mit zunehmender Auslenkung größere Stellkräfte ergeben. In der/den Gleichgewichtslage(n) sind mit dem Flussleitblech 3 bei Bestromung der Spule 1 deutlich höhere Kräfte erzeugbar also ohne Flussleitblech. Die bereits ohne Strom in der Spule 1 vorhandene Kraftkomponente wirkt der mechanischen Steifigkeit entgegen und führt zu einer reduzierten Gesamtsteifigkeit des Systems. Durch gezielte Abstimmung der einzelnen geometrischen Abmessungen in der vorgestellten Anordnung kann die Resonanzfrequenz des gezeigten Systems gezielt beeinflusst werden. Vorteilhafte Verhältnisse V = d/h_m liegen zwischen 0.1 und 2, bevorzugt zwischen 0.2 und 0.8. Im gezeigten Fall ist der Abstand des Magneten 2 von der Spulenoberseite 1o so gewählt, dass er in der (mittleren) Gleichgewichtslage etwa 200 µm von Spule 1 entfernt liegt.
Wie bereits angedeutet, kann sowohl über die Ausdehnung a des Luftspaltes (vorteilhafte Werte liegen hier zwischen 100 µm und 500 µm) als auch durch die Dicke d der Flussleitstruktur 3' im Überleitungsabschnitt 10 auf die Steifigkeit des Systems Einfluss genommen werden. Bei Vergrößerung des Luftspaltes erfolgt eine Verminderung der der permanent vorhandenen Kraft überlagerten Stellkräfte.
2 zeigt die Stellkräfte F bei verschiedenen Spulenstromdichten j_c für drei Konfigurationen (die Skizzen links zeigen jeweils die magnetischen Flusslinien bzw. die Flussdichte im Bereich zwischen Spulenoberseite 1o und Permanentmagnet 2 – identische Bezugszeichen bezeichnen identische Merkmale wie in 1): a) ohne Weicheisen, also ohne Leitstruktur (nur Spule 1 und Magnet 2), b) mit Spulenaufnahme (ohne Zylinderdeckelfläche 3a, 7); c) mit vollständiger Flussleitstruktur wie in 1 gezeigt, also mit Zylinderdeckelfläche 3a und Flussleitblechende 7 nahe dem Permanentmagneten 2. Der Magnet 2 befindet sich mittig in der Ausnehmung 5 bei einem Gleichgewichtsabstand zur Spule von 200 µm. In d) sind die Kraftverläufe b) und c) gegenübergestellt. Es zeigt sich die zu erwartende höhere Kraftwirkung mit Leitstruktur 3, die größer ist als ohne Leitstruktur 3.
Ein weiterer Aspekt der in 1 skizzierten Anordnung ergibt sich bei Betrachtung der Dämpfung des Gesamtsystems. Bei alleiniger Nutzung von Spule 1 und Magnet 2 ohne zusätzliche Leitstruktur 3 wird die Dämpfung des Systems von der Fluidströmung der Spiegelplatte (also der zu bewegenden, in 1 nicht gezeigten Struktur) dominiert. Bei vorhandener Leitstruktur 3 gemäß 1 hingegen treten bei der Bewegung des Magneten 2 im elektrisch leitenden Material der Leitstruktur 3 zusätzlich Wirbelströme auf, die der Bewegung entgegenwirken und damit die Dämpfung des Gesamtsystems vergrößern. Durch Festlegen der Resonanzfrequenz und der Dämpfung durch geeignete Wahl der geometrischen Parameter der Anordnung kann das dynamische Verhalten gezielt eingestellt werden. Wie bereits erwähnt ist es auch möglich, für die Leitstruktur 3 lediglich ein elektrisch leitfähiges Material (z.B. Aluminium), nicht aber ferromagnetisches Material zu verwenden. In diesem Falle treten im Wesentlichen lediglich die vorbeschriebenen Wirbelstromeffekte auf, die jedoch alleine (ohne wesentliche Magnetflussführung durch die Struktur 3) bereits die vorteilhafte Wirkung der vergrößerten Dämpfung des Gesamtsystems realisieren.
3 zeigt die Kopplung von insgesamt vier elektromagnetischen Aktuatoren gemäß 1 an eine in kardanischer Aufhängung 11a, 11b, 11c zu bewegende mikromechanische Struktur 11 in Form eines mikromechanischen Spiegels. Von den insgesamt vier elektromagnetischen Aktuatoren gemäß 1 sind in der Spiegelrückseitenaufsicht der 3 lediglich die vier Permanentmagneten 2a bis 2d sichtbar. Die vier Aktuatoren sind an den vier Seiten des rechteckigen Spiegels nahe der äußeren Kanten der Spiegelfläche 11 jeweils mittig positioniert. Die beiden an den schmalseitigen Kanten der Spiegelfläche 11 positionierten Magnete 2a und 2c bzw. die zugehörigen Aktuatoren sind auf der rückseitigen Spiegelfläche 11 nahe der Ränder derselben (also innerhalb des Spiegelrahmens 11a) und entlang der ersten Verkippungsachse 12 (äußere Kardanachse) positioniert. Die beiden an den langseitigen Kanten der Spiegelfläche 11 positionierten Permanentmagnete 2b und 2d bzw. deren Aktuatoren sind auf der Rückseite des die Spiegelfläche 11 umgebenden Spiegelrahmens 11a (für die innere Kardanachse bzw. die zweite Verkippungsachse 13) der kardanischen Aufhängung und entlang der zweiten Verkippungsachse 13 positioniert. Die beiden Achsen 12, 13 verlaufen senkrecht zueinander und schneiden sich im Zentrum Z des Spiegels 11. Die Bestromung der einzelnen Spulen der einzelnen Aktuatoren ist jeweils unabhängig voneinander ermöglicht. Je nach Einstellung von Stromstärke und Stromrichtung in den einzelnen Aktuatoren ist somit eine Verkippung bzw. Auslenkung um die erste Achse 12, um die zweite Achse 13 oder um sowohl die erste Achse 12 als auch die zweite Achse 13 ermöglicht. Beispielsweise lenkt eine Bestromung der Spulen lediglich in den beiden zu den Magneten 2b und 2d gehörenden Aktuatoren (bei Stromfreiheit in den zu den Magneten 2a und 2c gehörenden Aktuatoren) mit entgegengesetzter Stromrichtung den Spiegel 11 (bzw. die Spiegelfläche desselben) um die erste Verkippungsachse 12 aus. Das Bezugseichen 11b zeigt einen weiteren Teil der kardanischen Aufhängung des Spiegels 11, nämlich eine zusätzliche biegeweiche Halterung, um mechanische Spannungen oder mechanische Stoßeinwirkungen ausgleichen zu können. Die elektromagnetischen Stellkräfte werden (durch Fixierung der Permanentmagneten 2a bis 2d unmittelbar am Spiegel bzw. dessen Spiegelfläche 11) direkt in die Spiegelstruktur eingeleitet.
4 zeigt einen Schnitt (Ausschnitt) in einer Ebene, in der die erste Verkippungsachse 12 und die Zylindersymmetrieachsen 14 der beiden Aktuatoren mit den Magneten 2a und 2c verlaufen (gezeigt ist hier ein den Magnet 2a umfassender Ausschnitt). Der Aufbau der einzelnen Aktuatoren entspricht hier im Wesentlichen dem in 1 gezeigten. Nachfolgend sind daher nur die Unterschiede beschrieben.
Die ferromagnetische Flussleitstruktur 3' umfasst hier einen 0.5 mm dünnen, ferromagnetischen Eisenblechabschnitt 3a, dessen dem Permanentmagneten 2 bzw. 2a zugewandtes/r Ende bzw. Randabschnitt 7 somit zum Oberflächenabschnitt 8 des Permanentmagneten 2a den dünnen Luftspalt 9 der Spaltbreite a = 300 µm ausbildet. Die in 1 gezeigte Zylindermantelfläche der Leitstruktur 3' wird hier durch ein Distanzblech 3b einer Dicke (in Achsrichtung 14 gesehen) von 100 µm bis 5000 µm, bevorzugt von 100 µm bis 500 µm (hier: 1 mm), an dessen Oberseite der Flussleitblechabschnitt 3a fixiert ist, und durch die an der Unterseite dieses Distanzblechs 3b fixierte Spulenaufnahme 3c (die wie das Distanzblech 3b ebenfalls aus ferromagnetischem Eisen ausgebildet ist) gebildet.
Auf der den Elementen 3b, 3c gegenüberliegenden Seite ist am Flussleitblechabschnitt 3a eine Spiegelhalterung 16 samt ihrer Spielgelklemme 17 und einer die Klemme 17 befestigenden Struktur 18 fixiert. Das der Achse 14 zugewandte Ende 17a der Spiegelklemme 17 fixiert den Rahmen 11a der kardanischen Aufhängung senkrecht zur Achse 14 gesehen am Spiegelhalter 16 sowie in Achsrichtung 14 gesehen am Flussleitblechabschnitt 3a.
Der Magnet 2 bzw. 2a ist mit seiner Oberseite mit der der Spule 1 zugewandten Spiegelunterseite des Spiegels 11 verklebt und ragt über den Hohlraum 15 zwischen Spiegel 11 und Flussleitblechabschnitt 3a und die Ausnehmung 5 in den Innenraum 4 des entsprechenden Aktuators. Somit ist die freie Beweglichkeit des Permanentmagneten 2 sowie des daran befestigten Spiegels 11 (Pfeilrichtungen P) im Wesentlichen in Richtung der Achse 14 und somit eine Auslenkung des Permanentmagneten 2a samt des daran befestigten Spiegels 11 je nach Stromstärke und Stromrichtung in der Spule 1 ermöglicht. 11c zeigt einen Schnitt durch einen zum Ausbilden der zu bewegenden Struktur (eigentliche Spiegelfläche 11) notwendigen, zwischen den Rahmen 11a und die eigentliche Spiegelfläche 11 geäzten Graben.
Aufbau und Einpassung der Magnete 2b bis 2d sind entsprechend.
Somit sind gemäß 3 und 4 insgesamt vier Permanentmagnete auf dem Spiegel 11 bzw. dessen Rahmen 11a befestigt, welcher in eine Halterung 16 bis 18 geklemmt ist. In einem durch das Distanzblech 3b definierten Abstand befinden sich in einem Eisenkörper, zusätzlich gekoppelt durch Wärmeleitpaste, die Antriebsspulen 1. Die Permanentmagnete 2a bis 2d sind direkt auf der Spiegelfläche 11 bzw. dem Spiegelrahmen 11a positioniert. Die Magnete 2a und 2c haben einen Abstand von ca. 3.8 mm von der zweiten Verkippungsachse 13 bzw. vom Zentrum Z, die Magnete 2b und 2d liegen ca. 3.4 mm vom Zentrum Z bzw. von der ersten Verkippungsachse 12 entfernt.
Die gezielte Flussleitung wird über die Elemente 3a bis 3c (insbesondere: 3a und ggf. auch 3b) bewirkt. Diese können auch aus ferromagnetischem Stahl (Federstahl 1.1274 mit µ_r = 400) gefertigt werden, um die gezielte Leitung des magnetischen Flusses zu ermöglichen.
Für die erfindungsgemäße Flussleitung ist insbesondere der ebene, zum Permanentmagneten hinführende Eisenblechabschnitt 3a entscheidend: Es reicht somit aus, lediglich diesen Abschnitt 3a aus einem ferromagnetischen Material auszubilden. Die beiden Elemente 3b und 3c können auch aus einem elektrisch leitenden, jedoch nicht-ferromagnetischen Material wie z.B. Aluminium ausgebildet werden.
Wie 4 zeigt, kann die wesentliche bei der vorliegenden Erfindung zu bewegende Struktur (eigentliche Spiegelfläche 11) als lokal abgedünnte mikromechanische Membranstruktur und beispielsweise aus einem Halbleiterwafer (insbesondere: Si-Wafer) gefertigt werden. Der noch nicht abgedünnte Wafer kann beispielsweise eine Dicke zwischen 400 und 670 µm aufweisen, die lokale Abdünnung im Bereich der eigentlichen Spiegelfläche 11 kann auf eine Dicke zwischen 30 µm und 400 µm, z.B. auf 75 µm, erfolgen (verbleibende, nicht abgedünnte Waferbereiche können den Rahmen 11a oder Abschnitte desselben bilden). Im abgedünnten Bereich (z.B. unmittelbar angrenzend an einen stehen bleibenden Rahmenbereich 11a) können durchgehende Gräben 11c, also von einer Oberfläche dieses Bereiches bis zur gegenüberliegenden Oberfläche dieses Bereiches (in Achsrichtung 14 gesehen) reichende Gräben 11c, eingebracht (z.B. geäzt) werden, um die zu bewegende Membranstruktur bzw. Membran von den sie umgebenden, nicht zu bewegenden Bereichen abzutrennen und um somit die Beweglichkeit dieser Membran zu ermöglichen.
Zusätzlich können in der bereits abgedünnte Membran lokal (z.B. durch Ätzen) weitere Ausdünnungen, z.B. durch Einbringen von Senklöchern oder Senkgräben, erfolgen, um die Massenträgheit der zu bewegenden Membranstruktur weiter zu verringern.
Das Abdünnen des Halbleiterwafers und das weitere Ausdünnen der Membran können über anisotropes Nassätzen erfolgen. Es lassen sich aber auch Trockenätzverfahren einsetzen. Beispielsweise kann die Membran durch Nassätzen hergestellt werden, gefolgt von einem reaktiven Ionentiefenätzschritt (DRIE Ätzen) für das Einbringen der Strukturen für die weitere Ausdünnung bzw. Massenträgheitsreduktion.
Ein Herstellen einer abgedünnten Membran als zu bewegende Struktur ist aber nicht notwendig: Die zu bewegende Struktur kann auch monolithisch verbleiben bzw. hergestellt werden.
Die zu bewegende Struktur kann als Festkörpergelenk(e) umfassende mikromechanische Struktur herausgearbeitet werden.
5 zeigt statische Auslenkungskennlinien für das in den 3 und 4 gezeigte erfindungsgemäße aktuatorisch bewegbare System mit und ohne Flussleitblechabschnitt 3a (FLB). Die Himmelsrichtungen beziehen sich auf die Anordnung der einzelnen Permanentmagneten 2a bis 2d. Mit dem Leitblechabschnitt 3a können bei gleichen Stromdichten j_c in den Antriebsspulen 1 größere Auslenkwinkel Θ_mech erreicht werden. Ein Abknicken der Kennlinie deutet auf Kontakt des Magneten zur Antriebsspule hin. Bei gleicher Stromdichte werden mit FLB 3a nahezu doppelte Auslenkwinkel Θ_mech erreicht. Angestrebte Auslenkwinkel von 2° wurden somit erreicht. Durch die beschriebene Kraftwirkung können somit gleiche Auslenkungen bei deutlich geringeren Stromdichten und damit geringeren Strömen realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Klaus Janschek „Systementwurf mechatronischer Systeme / Methoden-Modelle-Konzepte“, Springer Verlag, Berlin/Heidelberg, 2010 [0003]
A.D. Yalcinkaya et al. „NiFe plated biaxial MEMS Scanner for 2D Imaging“, Photonics Technology Letters, IEEE 19.5, March 2007, p. 330–332 [0003]
T. Mitsui et al. “ A 2-axis optical Scanner driven non-resonantly by electromagnetic force for OCT imaging”, Journal of Micromechanics and Micro-Engineering, 16.11 (2006), p. 2482 [0003]

Claims

Elektromagnetischer Aktuator mit einer mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Antriebsspule (1), einem beabstandet von der Antriebsspule (1) beweglich gelagerten Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) und einer von der Antriebsspule (1) zum Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) hinführend ausgebildeten und angeordneten Leitstruktur (3).
Elektromagnetischer Aktuator nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstruktur (3) eine zum Leiten des von der Antriebsspule (1) im mit Strom beaufschlagten Zustand erzeugten magnetischen Flusses zum Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) hin ausgebildete und angeordnete, vorzugsweise ferromagnetische Flussleitstruktur (3') ist oder aufweist.
Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstruktur (3) eine aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildete oder mindestens ein solches Material enthaltende Struktur ist oder aufweist.
Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstruktur (3) die Antriebsspule (1) zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, umfasst, wobei die Leitstruktur (3) bevorzugt als vorzugsweise zylindrische Hohlstruktur ausgeformt ist, in deren Innenraum (4) die Antriebsspule (1) angeordnet ist.
Elektromagnetischer Aktuator nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass der von der Leitstruktur (3) umfasste, die Antriebsspule (1) beherbergende Raum, insbesondere der Innenraum (4), zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit, insbesondere einem Öl, die/das elektrisch nichtleitend ist und/oder die/das bei 20°C eine Viskosität ≥ 10 mPa·s, bevorzugt ≥ 10² mPa·s, ≥ 10³ mPa·s, aufweist, gefüllt ist.
Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (2, 2a, 2b, ...) in einer in die Leitstruktur (3) eingebrachten Ausnehmung (5) beweglich gelagert ist, insbesondere in einem Loch, das in eine Wandung (3a, 6) der Leitstruktur (3) eingebracht ist, die der Antriebsspule (1) gegenüber liegt, beweglich gelagert ist.
Elektromagnetischer Aktuator nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem die Ausnehmung (5) ausbildenden und den Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) umfassenden Randabschnitt (7) der Leitstruktur (3) und einem diesem Randabschnitt (7) gegenüberliegenden Oberflächenbereich (8) des Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) ein bevorzugt luftgefüllter Spalt (9) besteht, wobei bevorzugt die Ausdehnung a dieses Spaltes (9) zwischen Randabschnitt (7) und Oberflächenbereich (8) zwischen 20 µm und 1000 µm, insbesondere zwischen 100 µm und 500 µm, liegt.
Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei Rückbezug auf Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Flussleitstruktur (3) zumindest abschnittsweise ein ferromagnetisches Material, insbesondere ein weichmagnetisches Material, bevorzugt Eisen und/oder einen ferromagnetischen Stahl, enthält oder aus einem solchen Material besteht.
Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Leitstruktur (3), bevorzugt ein von der Antriebsspule (1) oder einem Randbereich derselben zum Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) oder zu dem/einem diesem (2, 2a, 2b, ...) gegenüberliegenden Randabschnitt (7) der Leitstruktur (3) führender Leitstrukturabschnitt (10), zumindest abschnittsweise als Flächenstruktur ausgebildet ist, wobei bevorzugt die Dicke d dieser Flächenstruktur zwischen 50 µm und 5000 µm, insbesondere zwischen 100 µm und 500 µm, liegt und/oder bevorzugt das Verhältnis V = d/h_m aus besagter Dicke d und der Ausdehnung h_m des Permanentmagneten, letztere gesehen in Richtung vom Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) zur Antriebsspule (1), zwischen 0.1 und 2, insbesondere zwischen 0.2 und 1.0, beträgt.
Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) eine zu bewegende Struktur, bevorzugt eine zu bewegende mikromechanische Struktur (11), verbunden ist, wobei die zu bewegende mikromechanische Struktur (11) bevorzugt ein(en) mikromechanischer/n Spiegel, insbesondere ein(en) Mikroscannerspiegel, oder ein(en) Teilabschnitt eines solchen mikromechanischen Spiegels ist oder umfasst.
Aktuatorisch bewegbares System, bevorzugt mikromechanisches System, insbesondere mikromechanisches Spiegelsystem, dadurch gekennzeichnet, dass eine/die zu bewegende Struktur, bevorzugt eine/die zu bewegende mikromechanische Struktur (11), jeweils mit den Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) mehrerer jeweils nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildeter elektromagnetischer Aktuatoren verbunden ist, wobei die zu bewegende mikromechanische Struktur (11) bevorzugt ein(en) mikromechanischer/n Spiegel, insbesondere ein(en) Mikroscannerspiegel, ist oder umfasst.
Aktuatorisch bewegbares System nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die zu bewegende Struktur kardanisch gelagert (12, 13) ist.
Verfahren zum aktuatorischen Bewegen eines Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...), wobei eine Leitstruktur (3) von einer Antriebsspule (1) zu einem Permanentmagneten (2, 2a, 2b, ...) hinführend ausgebildet und angeordnet wird, und wobei die Antriebsspule (1) mit einem elektrischen Strom beaufschlagt wird, wodurch der beabstandet von der Antriebsspule (1) beweglich gelagerte Permanentmagnet (2, 2a, 2b, ...) bewegt wird, wobei das Verfahren bevorzugt mit einem elektromagnetischen Aktuator und/oder mit einem aktuatorisch bewegbaren System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird.